Разработка полезных ископаемых океанов

Разработка полезных ископаемых, залегающих в поверхностном слое донных осадков океана

Среди известных, но еще не разрабатываемых полезных ископаемых океанского дна, наиболее важными с экономической точки зрения являются фосфоритовые и марганцевые конкреции. Для их добычи предлагалось много различных методов. Среди них наибольший практический интерес представляют еще никак не названные устройства на гусеничном ходу, которые, по замыслу их создателей, должны опускаться на дно океана, загружаться там конкрециями и затем всплывать на поверхность; управляемые экипажем батискафы гусеничного типа, мощность которых вполне достаточна, чтобы они работали на дне как скреперы, и, наконец, управляемые подводные лодки большого тоннажа, снабженные сферическими контрольными камерами и обладающие плавучими емкостями для хранения добытых полезных ископаемых, в частности конкреций, которые помещаются в эти резервуары, вытесняя при этом заключенную в них балластную воду.

Однако с точки зрения рентабельности добычи в ближайшем будущем заслуживают внимания лишь два метода извлечения конкреций со дна океана: глубоководное механическое драгирование и глубоководное гидравлическое извлечение грунта. Для разработки конкреций, лежащих на глубинах не более 2000 футов, целесообразно, по-видимому, использовать драги с грейферными саморазгружающимися ковшами. При этом уместно напомнить, что большинство исследователей считает, что конкреции располагаются на поверхности донных осадков океана в виде отдельного, единичного монослоя, мощность которого не превышает диаметр конкреций. При таком допущении в процессе очищения океанского дна от конкреций с экономической точки зрения важна полная загрузка черпательного ковша конкрециями, так как на спускоподъемные операции ковша расходуется значительное время. Это обстоятельство в свою очередь требует значительных габаритов подъемного устройства. Например, для подъема 5 т конкреций при 90%-ной очистке разрабатываемого участка, где концентрация конкреций составляет 2 фунт/кв. фут морского дна, грейферный черпатель должен очистить около 5500 кв. футов морского дна. В этом случае площадь черпателя в раскрытом виде должна быть около 7,5 кв. футов. Можно представить, какие значительные трудности возникают в связи с креплением и перемещением подобного устройства при его разгрузке на поверхности. Однако имеются основания считать, что в случае разработки фосфоритов морского дна при их концентрациях порядка 30-50 фунт/кв. фут и глубинах воды не более 500 футов применение грейферных черпателей окажется экономически оправданным.

Глубоководное драгирование

Некоторые модификации глубоководного механического драгирования, по-видимому, являются наименее сложными из обсуждавшихся методов разработки океанских конкреций. Применяемое оборудование отличается простотой, низкой стоимостью и используется океанографами в течение уже почти 100 лет для извлечения осадков морского дна с глубин порядка 30000 футов. Поскольку существующие модели черпака драги используются лишь для снятия тонкого поверхностного слоя осадков, характеристика которых известна до начала разработки, то их следует несколько переконструировать, с тем, чтобы они соответствовали намеченным задачам. На рис. 71 показана общая схема разработки конкреций океанского дна методом драгирования. А один из типов драговых черпаков, применяемых в глубоководных условиях для извлечения многотонных проб конкреций с морского дна, изображен на рис. 67.

Рис. 71. Глубоководное драгирование является довольно несложным, но в условиях мелкого моря эффективным методом разработки поверхностных осадков (Mero, 1960b).

В современных условиях существует возможность создания весьма большого числа разнообразных систем драгирования. Мы ограничимся лишь тем, что рассмотрим в качестве иллюстрации систему, которая дает самое общее представление о методе. В этом случае операция драгирования производится при помощи двух движущихся в море судов. В качестве добывающего судна может быть использован буксир океанского типа водоизмещением 2000 т, на котором установлен двигатель мощностью 2000 л. с. Такое судно способно производить драгировку на глубинах до 5000 футов, обладая при этом прекрасной маневренностью. Проект предусматривает размещение на добывающем корабле жилых помещений для всей команды, ведущей разработку конкреций, а также возможность использования главных генераторов в качестве источников электроэнергии для лебедок. Во время работ на перемещение самого судна будет расходоваться лишь небольшая доля общей мощности. Как лучший вариант для ведения разработки конкреций на океанском дне желательно создание специального корабля, оборудованного многочисленными новейшими устройствами и усовершенствованиями, однако и сегодня для этих целей можно переделать существующие суда, затратив около 1 млн. долл. на каждую модификацию.

Второй корабль, участвующий в разработке конкреций, представляет собой океанскую самоходную баржу, емкость которой достаточна для хранения около 5000 т добытых и очищенных конкреций. На барже имеется оборудование для очистки конкреций от различных обломочных компонентов, извлекаемых с океанского дна, а также небольшой двигатель, позволяющий ей следовать во время работ за добывающим судном. Если подобная баржа не используется как транспортное судно, то на ней должны быть предусмотрены устройства для быстрой перегрузки добытого материала на ожидающий погрузки транспорт.

Габариты драгового ковша не должны по возможности превышать размеры, гарантирующие безопасность работы в море. Так, для судна водоизмещением 2000 т наибольшим из практически оправданных габаритов драгового ковша являются размеры 20X12Х3 фута. Вес такого ковша около 3 т, а его емкость, полагая, что он заполняется на 65% всего объема, при плотности извлекаемого материала 56 фунт/куб. фут составляет около 13 т при каждом подъеме.

Погружение ковша драги на дно моря происходит со скоростью свободного падения, которая на основании соответствующих гидродинамических расчетов должна достигать 600 фут/мин. Драговый ковш следует снабдить источником звуковых сигналов для определения момента достижения им морского дна. После заполнения ковша конкрециями его извлекают на поверхность. Телевизионные камеры, вмонтированные в драговый ковш, позволяют просматривать океанское дно и следить за ходом наполнения драги конкрециями. Телевизионный кабель целесообразно при этом поместить внутрь драгового троса, для того чтобы избежать осложнений, связанных с двухкабельной драговой линией. Стоимость подобных устройств оценивается в 25 тыс. долл. Однако эти дополнительные расходы невелики по сравнению со стоимостью обычного оборудования драги, включая буксирный трос, и они, несомненно, будут оправданы возросшей эффективностью операций по разработке.

Когда драговый ковш поднят на поверхность, его при помощи особых подъемных механизмов проводят над кормой добывающего судна и разгружают в специальный приемный бункер. Из бункера конкреции транспортируются при помощи насоса и трубопровода на баржу, где они временно хранятся. Поскольку конкреции обычно сложены веществом сравнительно малой плотности, отличающимся неабразивным характером, то их без каких-либо осложнений можно перекачивать по резиновым трубам. На барже конкреции отделяются от безрудных осадков, измельчаются и складируются в особые помещения, спроектированные таким образом, чтобы можно было производить быструю перегрузку материала с баржи на транспортное судно.

Произведем оценку стоимости текущих операций по глубоководному драгированию океанских конкреций, полагая, что продолжительность работ в океане составит 300 дней в году, и при условии фрахта добывающего судна и склада-баржи (в долл.).

А. Твердые эксплуатационные расходы за год:

1	Годовой фрахт добывающего судна при стоимости одного дня фрахта 2500 долл.	912500
2	Годовой фрахт баржи для хранения при стоимости одного дня фрахта 500 долл.	185000
3	Расходы по амортизации оборудования, включая стоимость затрат на его текущий ремонт, эксплуатацию и т. п. (источник звуковых сигналов на драговом ковше, драговые ковши, камеры, регистраторы глубины, дробилки, различные передающие системы и т. д.)	320000
4	Зарплата рабочих, сотрудников по наблюдению и контролю за ведением разработки и руководящего состава	667500
*	Общая сумма в год	2085000

5	Лебедка — 5200 долл. на каждую тонну подъемной мощности; расходы на амортизацию и поддержание лебедки в рабочем состоянии составляют 40% общей суммы годовых расходов.
6	Тросы, меняемые 4 раза в год; каждый раз полная стоимость.
7	Энергия, считая 0,02 долл. /л. с./час при 300 рабочих днях в году и 20-часовой работе в сутки.

Принято считать, что время операций по разработке будет сокращено на 18% в связи с плохой погодой, задержками, связанными с транспортировкой руды, и т. п. При продолжительности рабочего дня 24 часа ежедневно выделяется в среднем 4 часа на текущий ремонт. Принимая во внимание приведенные выше данные и допуская, что общая электрическая и, механическая эффективность подъемной системы составляет 65% при запасе прочности троса 2,5 и что скорость протаскивания драгового ковша по океанскому дну равна 3 фут/сек., можно подсчитать, каковы будут затраты по добыче конкреций со дна океана при различных глубинах драгирования (табл. 37). Общий вес поднимаемой системы слагается из погруженного в воду веса самого груза конкреций, веса драгового ковша, а также усилий, затрачиваемых на волочение драгового ковша и троса. Более подробное обсуждение вопросов, касающихся этих усилий и прилагаемых для их преодоления мощностей, можно найти в одной из предыдущих работ Меро (Mero, 1959).

Темпы и стоимость разработки методом глубоководного морского драгирования в значительной мере зависят от глубины производимых работ, поскольку глубина определяет время, расходуемое на спускоподъемные операции драгового ковша. В горнорудной промышленности принята стандартная скорость подъема — 2000-3000 фут/мин. Сопротивление, возникающее при подъеме ковша драги сквозь толщу воды, меняется в квадратичной зависимости от скорости, а мощность, требующаяся для подъема драги, — в кубической. В тех случаях, когда скорость движения ковша (допуская его идеальную обтекаемую форму) превосходит 1000 фут/мин., необходимая мощность столь велика, что даже при увеличении темпов добычи стоимость единицы получаемого продукта не снижается, а, наоборот, в свою очередь начинает расти. Данные табл. 37 подтверждают сказанное.

Таблица 37. Затраты на получение конкреций со дна океана методом глубоководного драгирования и темпы добычи *

Глубина, футы	Диаметр троса, дюймы	Скорость погружения, фут/мин	Скорость подъема, фут/мин	Общий вес драги, т	Статистическая нагрузка на лебедку ** , т	Средняя мощность, л. с.	Продолжительность цикла *** , мин	Производительность, т/день	Эксплуатационные расходы, долл./год	Стоимость получения 1 т конкреций, долл.
1000	1	300	400	0,985	10,91	407	20,08	598	2167200	12,10
1000	1	300	750	3,465	13,39	935	18,66	643	2214700	11,50
1000	1	300	1000	6,175	16,10	1502	18,23	658	2265700	11,50
3000	1	300	400	1,000	11,61	434	33,05	363	2172600	20,00
3000	1	300	750	3,517	14,13	990	28,80	416	2227600	17,85
3000	1,25	300	1000	6,258	17,16	1600	27,80	431	2285380	17,70
3000	1	600	750	3,517	14,13	990	23,80	505	2227600	14,70
3000	1,25	600	1000	6,258	17,16	1600	22,50	534	2285380	14,30
5000	1	300	400	1,115	12,43	465	46,02	261	2188400	28,00
5000	1,25	300	750	3,568	15,34	1072	38,94	308	2247800	24,40
5000	1	600	400	1,115	12,39	465	37,69	318	2188400	23,00
5000	1,25	600	750	3,568	15,34	1072	30,61	392	2247800	19,10
5000	1,25	600	1000	6,360	18,43	1720	28,44	421	2311300	18,30
5000	1,50	600	1500	14,290	27,77	3880	26,27	456	2520000	18,40
5000	2	600	2000	25,420	30,41	7520	25,19	476	2867500	20,50
8000	1,25	300	750	3,605	16,70	1168	55,10	218	2371180	32,10
8000	1,25	600	750	3,605	16,70	1168	41,78	287	2371180	27,60
10000	1,25	300	750	3,696	18,70	1308	64,26	187	2304300	41,20
10000	1,25	600	750	3,696	18,70	1308	47,50	252	2304300	30,60

* ( Разработка производится в описанных выше условиях и при помощи указанного выше оборудования. При этом допускается, что концентрация конкреций на дне океана составляет 1 фунт/кв. фут, а эффективность их извлечения равна 80%.)

** ( Сумма усилий драги плюс вес черпака и груза в морской воде.)

*** ( Время, требующееся для полного цикла драгирования, включая спуск, загрузку, подъем и разгрузку.)

Например, при скорости подъема 1500 фут/мин. с глубины 5000 футов стоимость добываемого сырья превышает его стоимость при скорости подъема 1000 фут/мин. Для данного типа драгового ковша существует максимальный экономически рентабельный предел скорости подъема, который рассчитывается при помощи особых методов. Обтекаемая форма драги, очевидно, выгодно отразится на экономических показателях добычи при скоростях подъема в воде более 1000 фут/мин., но не превышающих 2000 фут/мин.

При работе на глубинах менее 5000 футов, вероятно, можно производить разработку залежи с одного судна при помощи двух драговых ковшов одновременно. Каждый из двух драговых ковшей соединяется с одним из концов подъемного троса; при этом устраняется необходимость в дополнительном барабане лебедки и во втором тросе. При опускании одного ковша происходит подъем другого. Такая совмещенность операций позволит примерно вдвое сократить эксплуатационные расходы на единицу добываемого сырья и заметно снизит капиталовложения в систему подъемных механизмов.

Поскольку в каждом цикле драгирования основная часть времени приходится на наполнение ковша драги при волочении его по дну океана (в некоторых случаях занимающего более 70% времени), то при наличии залежей с относительно высокой концентрацией конкреций стоимость получения 1 т конкреций существенно снизится, как это показано в табл. 38. Правда, при таком методе драгирования крайне слабо осуществляется детальный контроль на том участке морского дна, куда опустилась драга. К счастью, залежи марганцевых конкреций характеризуются столь интенсивным латеральным развитием, что их можно разрабатывать путем неупорядоченных бессистемных пересечений, не опасаясь, что в течение многих лет они пересекутся.

Таблица 38. Темпы и стоимость добычи конкреций методом глубоководного драгирования при различных концентрациях конкреций на дне моря *

Глубина, футы	Скорость погружения, фут/мин	Скорость подъема, фут/мин	Производительность (т/день) при различных концентрациях конкреций				Стоимость добычи (долл./год) при различных концентрациях конкреций
			фунт/кв. фут				фунт/кв. фут
			0,5	2	5	10	0,5	2	5	10
1000	300	750	396	935	1157	1460	18,60	7,90	6,40	5,05
3000	300	750	298	521	614	655	24,90	14,25	12,10	11,30
3000	600	750	349	667	825	900	21,30	11,10	9,00	8,25
5000	300	750	238	362	404	436	31,50	20,70	18,60	17,20
5000	600	1000	300	530	626	666	25,70	14,55	12,30	11,55
8000	600	750	225	333	369	383	35,10	23,70	21,40	20,60

* ( Остальные условия добычи остаются теми же, что отмечены в табл. 37.)

Как уже отмечалось, эксплуатационные расходы на производство всех операций по глубоководному драгированию оцениваются в 2 млн. долл., при условии, что корабль и баржа фрахтуются. В эту сумму включены затраты на переоборудование добывающего судна и баржи, на саму систему драгирования, оплата расходов по конструированию и различные расходы начального периода. Отдельно оценивается стоимость исследовательских работ, которые предшествуют созданию горнорудного оборудования. Стоимость добывающего судна водоизмещением 2000 т определяется примерно в 6 млн. долл. При этом полагается, что постройка этого судна будет производиться на американских верфях. Но для тех же целей можно переделать и старое судно, поскольку вносимые изменения в его основную конструкцию сравнительно невелики. В этой главе уже описывались основные требования, предъявляемые к барже, которая должна участвовать в разработке конкреций. На ней следует создать устройства для очистки конкреций и их измельчения, а также емкости для хранения. Общая стоимость оборудованной таким образом баржи оценивается примерно в 1,5 млн. долл. Для этих целей вполне пригодны баржи обычного типа.

Гидравлическое драгирование в условиях глубокого моря

Гидравлическое драгирование донных морских осадков является, при современном уровне развития горнодобывающих средств, одним из самых крупномасштабных и эффективных методов разработки. Как правило, гидравлические драги оборудованы двигателем и помпой, находящимися внутри корпуса корабля. Помпа обычно помещается несколько ниже уровня воды бассейна, где движется корабль. Необходимым условием метода является создание на всасывающем патрубке помпы вакуума, позволяющего прокачивать через нее гидромассу (смесь воды и частиц грунта). Таким образом, применение гидравлического драгирования жестко ограничивается глубиной, с которой может производиться откачивание. В атмосферных условиях максимальное всасывание, создаваемое помпой, равно либо атмосферному давлению, либо напору примерно 34 футов водяного столба. Однако при образовании вакуума на всасывающем патрубке помпы возможно кипение воды. В целом гидравлическое драгирование эффективно до 25-футовой глубины погружения всасывающей головки. Если же мы пренебрежем трением жидкости и допустим, что в трубопроводе отношение жидкость/твердое вещество равно 10:1, то максимальная глубина, с которой можно было бы поднимать осадки, считая, что плотность воды постоянна на всех глубинах, составит около 250 футов. Это отношение может быть увеличено и тем самым существенно увеличена глубина драгирования. Однако, учитывая расход энергии на преодоление трения жидкости, а также на подъем твердых веществ по грунтопроводу, следует иметь в виду те предельные значения глубин, выше которых оплата расходуемой энергии резко увеличивает стоимость извлекаемого материала. Поэтому, если глубина воды не меньше нескольких сотен футов, помпа должна быть погружена в воду вне зависимости от типа применяемой гидравлической драги. Однако это вовсе не означает, что помпа должна быть размещена непосредственно близ океанского дна. Положение помпы относительно поверхности океана определяется величиной отношения жидкость/твердое вещество в транспортируемой по трубопроводу пульпе и скоростью подачи жидкости. Согласно некоторым точкам зрения, имеются определенные преимущества, когда помпа приближена к поверхности на максимально возможное расстояние. Такое положение помпы обосновывается следующими приводимыми ниже расчетами.

Рис. 72. Глубоководная гидравлическая драга представляет собой, в сущности, гигантский пылесос, созданный для отбора тонкого поверхностного слоя осадков и относительно слабо нарушающий при этом нижележащие осадки. Показанная на рисунке модификация может вращаться вокруг своей вертикальной оси, причем размеры обработанной землесосными головками площади морского дна определяются скоростью горизонтального перемещения всей драгирующей системы, которая, как правило, движется довольно медленно (Mero, 1960b).

Основными элементами системы, при помощи которой осуществляется глубоководное гидравлическое драгирование, являются линия трубопровода, помпа и двигатель, всасывающие головки и плавательные средства. В одном из вариантов этого метода разработки предусматривается спуск в воду агрегатов системы, которые закреплены в подвешенном состоянии на плавающем судне. Однако такая комбинация имеет ряд недостатков. Вертикальные колебания судна, происходящие под воздействием волн, передаются на агрегаты системы в виде попеременных сжатий линии трубопровода, что приводит к его поломке. Кроме того, вся эта система, включая судно и землесосные агрегаты, оказывается практически непригодной к эксплуатации в штормовых условиях. Появляется необходимость монтажа агрегатов на особых поплавках, которые тем самым становятся составной частью всей системы. Как показано на рис. 72, главный поплавковый резервуар располагается ниже поверхностного, турбулентного, слоя океана, благодаря чему вертикальные волновые движения не передаются на землесосный агрегат. Второй поплавок, стабилизирующий, находящийся на поверхности, позволяет удерживать землесосные агрегаты на плаву. Поскольку 98% веса землесосных агрегатов падает на основной поплавок, вертикальные колебания, возникающие от воздействия волновых движений на стабилизирующий поплавок, в целом не будут передаваться на землесосные агрегаты. Двигатель и помпа рассматриваемой системы размещены внутри основного поплавка. Последний имеет несколько более крупные габариты, чем это можно было бы полагать, исходя из конструктивных особенностей заключенных в нем узлов. В качестве балласта поплавок загружают морской водой, что позволяет драгирующей системе сохранять правильное положение. В случае неисправности двигателя или помпы балласт откачивается из резервуара, и весь агрегат всплывает на поверхность. Через люк, находящийся в верхней части корпуса поплавкового резервуара, команда может легко проникнуть внутрь для ведения ремонтных работ. При внезапной поломке помпы или двигателя должны автоматически открыться клапаны обратного хода, находящиеся по всей длине трубопровода, что приведет к спуску имеющихся в системе конкреций и, таким образом, предотвратит засорение трубопровода.

Приводимые ниже расчеты относятся к способу разработки на глубине 10000 футов. Однако они могут быть экстраполированы на ведение добычи и на других глубинах, с учетом, конечно, тех ограничений, которые связаны с прочностью применяемых материалов.

Исходные данные расчетов следующие:

глубина разработки — 10000 футов;
максимальный диаметр добываемых конкреций — 6 дюймов;
внутренний диаметр трубопровода — 20 дюймов;
скорость движения пульпы по трубопроводу — 15 фут/сек.;
отношение жидкость/твердое вещество в трубопроводе — 10:1 (по весу);
процентное содержание конкреций в пульпе — 5% (по весу), при допущении, что 50% твердых веществ представлено нерудной массой;
удельный вес твердых компонентов пульпы — 2,1;
простой из-за плохой погоды — 20% всего времени;
ремонт оборудования и т. п. — 16% всего времени.

Общий вес драгирующей системы — около 2500 т — распределяется следующим образом (в т):

трубопровод (при толщине стенки трубы 1 дюйм) — 10000 футов при 225 фунт/фут — 1125;
помпа диаметром 20 дюймов — 25;
двигатель мощностью 8000 л. с. — 30;
основной поплавок (диаметр 20 футов, толщина стенок 3 дюйма, длина 250 футов) — 1050;
стабилизирующий поплавок (диаметр 6 футов, толщина стенок 2 дюйма, длина 30 футов) — 10;
воздух в главном поплавке под давлением до 450 фунт/кв. дюйм — 100;
вес жидкости в линии трубопровода — 70;
различные устройства и агрегаты — 100.

Таким образом, на главный поплавок приходится нагрузка в 2635 т, на стабилизирующий — около 28 т, остальные 150 т представляют собой балласт (морская вода), помещаемый в емкость главного поплавка.

Запас прочности линии трубопровода, сооруженной из стальных труб, выдерживающих нагрузку 80 тыс. фунт/кв. дюйм, достигает примерно 3. При желании увеличить запас прочности следует использовать трубы конического сечения.

Скорость течения жидкости, необходимая для переноса конкреций по трубопроводу

Скорость падения тел в вязкой среде, характеризуемой числом Рейнольдса более 5, подчиняется закону Ньютона. Последний можно следующим образом выразить в единицах английской системы измерения:

Закон Ньютона

Для решения этой задачи был проведен ряд экспериментов, моделирующих падение марганцевых конкреций в столбе воды (Mero, 1959). Результаты экспериментов, в которых использовались конкреции сферической формы, хорошо согласуются с теоретическими расчетами. Однако в действительности при переносе твердого тела движущимся вверх столбом воды скорость, необходимая для поддержания и транспортировки этого твердого тела, на 10% должна превышать скорость падения такого тела в столбе спокойной воды. Другие факторы, такие, как стеночные эффекты, тормозящие эффекты и факторы сферичности, будут изменять и уменьшать скорость течения жидкости, которая необходима для поддержания конкреций.

Гидравлическое драгирование обычно используется для разработки определенных залежей конкреций, однако его можно широко применять при эксплуатации всех тех месторождений, в которых диаметр добываемых конкреций не превышает половину диаметра трубопровода. Поэтому при расчете этого метода следует прежде всего принимать во внимание глубину залежи и размеры слагающих ее конкреций. К счастью, как видно на фотографиях морского дна, марганцевые конкреции в большинстве случаев характеризуются сравнительно одинаковой формой и размерами (рис. 51, 56 и 57).

Скорость движения жидкости, необходимая для поддержания конкреции диаметром 6 дюймов и с удельным весом 2,1, равна примерно 4,7 фут/сек. без учета стеночного эффекта и факторов торможения. А так как средний диаметр всех конкреций, проходящих по трубопроводу, обычно меньше 6 дюймов, то средняя скорость течения жидкости, которая необходима для переноса всех конкреций, в действительности будет несколько меньше этой величины.

Распределение мощностей при разработке подводных залежей методом гидравлического драгирования

В этом методе разработки применяется стандартная 20-дюймовая драговая помпа центрифужного типа с вертикальным расположением оси и coca (см. рис. 72). Всасывающий патрубок помпы соединен с верхним разгрузочным концом трубопровода, длина которого равна 10 000 футам. Мощность, требующаяся для функционирования этой системы, определяется по стандартной формуле гидромеханики. Высота напора с учетом потерь на трение может быть вычислена из уравнения

Высота напора с учетом потерь на трение

Таблица 39. Значения поправочного коэффициента f, используемого при решении уравнения Вайсбаха (O’Brien et al., 1937) *

Диаметр трубы, дюймы	Средняя скорость течения жидкости, фут/сек
Диаметр трубы, дюймы	10,0	15,0	20,0
10	0,0206	0,0201	0,0197
12	0,0201	0,0196	0,0192
14	0,0196	0,0192	0,0188
16	0,0192	0,0188	0,0184
18	0,0188	0,0183	0,0181
20	0,0184	0,0180	0,0177

* ( Допускается, что жидкость движется по прямой гладкой трубе.)

В этом случае при f = 0,0180

Высота напора с учетом потерь на трение, при f = 0,0180

Плотность перекачиваемой жидкости примерно равна 71 фунт/куб. фут (величина r). Морская вода, имеющая плотность 64 фунт/куб. фут, будет поддерживать 64/71 Х (10000 фут.) = 9020 футов столба жидкости в линии трубопровода. Предположим, что при разработке подъем пульпы будет производиться на высоту 20 футов выше уровня моря, для того чтобы погрузить добытый материал на баржу, тогда общая высота, на которую помпа должна подавать перекачиваемую пульпу по линии трубопровода, выразится величиной в 1000 футов (Z). Мощность, требуемая для преодоления веса жидкости и трения жидкости, составит:

Мощность, требуемая для преодоления веса жидкости и трения жидкости

Вес поднимаемого материала:

Вес поднимаемого материала

Следовательно, требующаяся мощность в л. с. равна

Мощность, требуемая для преодоления веса жидкости и трения жидкости

Считая, что общая эффективность электрической, механической и гидравлической частей системы составляет 75%, получаем величину общей подводимой мощности равной

Величина общей подводимой мощности

Землесосные головки

В этом разделе описывается несколько конструкций землесосных головок, применяемых при гидравлическом драгировании в условиях глубокого моря.

Простая землесосная головка, захватывающая участок шириной 15 футов. Площадь всасывающего отверстия 15 х 0,5 футов, скорость всасывания около 5 фут/сек. Поскольку в конструкции головок этого типа не предусмотрены особые устройства, позволяющие им перемещаться в воде с относительно высокими скоростями, для ведения экономически оправданной разработки необходимы залежи конкреций с концентрацией не менее 10 фунт/кв. фут.
Простая землесосная головка, захватывающая участок шириной около 15 футов. Эта землесосная головка может перемещаться вперед и назад по океанскому дну, при этом вся драгирующая система движется очень медленно (со скоростью менее 0,2 мили/час) в поперечном направлении относительно движения всасывающей головки. Очевидно, что в рассматриваемом устройстве должны быть агрегаты, приводящие в движение и управляющие перемещением землесосной головки. Однако наличие таких движущих и направляющих агрегатов существенно усложнит конструирование, создание и эксплуатацию земснарядов подобного типа.
Две землесосные головки укреплены под некоторым углом одна относительно другой на всасывающей трубе (рис. 72). На дне моря одна всасывающая головка отстоит от другой на расстоянии примерно 100 футов. Вся драгирующая система медленно вращается над поверхностью дна моря со скоростью 1 оборот в минуту. Всасывающие патрубки каждой головки сечением 8 футов обрабатывают поверхность морского дна со скоростью примерно 90 кв. фут/мин. Рассматриваемая система позволяет эффективно разрабатывать залежи, в которых концентрация конкреций не опускается ниже 2 фунт/кв. фут, полагая при этом, что эффективность извлечения составляет 70%. Устройства, при помощи которых осуществляется перемещение этой системы, могут быть укреплены через некоторые интервалы вдоль линии трубопровода. Подобное их расположение позволит осуществлять латеральное перемещение землесосных головок в воде к новым участкам разработки. Однако для этих же целей можно использовать океанские течения. Скорость передвижения всей системы гидравлического драгирования должна быть около 10 фут/мин.

Поскольку марганцевые конкреции располагаются на поверхности рыхлых осадков морского дна, то для их отделения не требуется никаких особых механизмов. В нижней части землесосных головок выступают удлиненные зубцы, несколько напоминающие грабли, при помощи которых производится отделение конкреций от осадка и подача их во всасывающий патрубок системы. Входные отверстия землесосных головок перемещаются над осадком при помощи особых опор, что позволяет избежать отсасывания чрезмерно больших количеств осадка, на котором залегают конкреции. Наибольшая конкреция, которая могла бы быть извлечена при помощи одного из рассмотренных выше трех методов гидравлического драгирования, очевидно, имеет около 6 дюймов в диаметре.

С особой тщательностью следует конструктивно продумать устройство входного отверстия землесосной головки. Оно должно быть рассчитано таким образом, чтобы обеспечить в ходе разработки на дне моря проток постоянного количества воды со скоростью, достаточной для того, чтобы переносить конкреции до входного отверстия землесосной головки и далее по линии трубопровода. Основная положительная особенность обсуждаемого метода разработки состоит в том, что из всего электрического оборудования системы под водой находятся лишь телевизионные камеры, которые укреплены на землесосных головках. Двигатели и помпы, работающие на глубине около 1000 футов, размещены внутри поплавкового резервуара с повышенным давлением воздуха. Для гидравлического драгирования могут быть использованы стандартные двигатель и землесосная помпа, которые в этом случае не потребуют значительных изменений.

Телевизионные камеры, установленные на землесосных головках, позволят оператору наблюдать за ходом разработки и следить за эффективностью очистки морского дна от конкреций. Так как эта система действует подобно пылесосу, засасывая все рыхлые осадки в трубопровод, то можно не опасаться, что во время ее работы поднимутся облака из осадков и помешают наблюдению над морским дном. Кроме того, оператор будет располагать общей системой контроля, позволяющей следить за положением землесосных головок на морском дне. Таким образом, телевизионные камеры сыграют первостепенную роль при контролировании разработки залежи, позволяя проходить ее серией тесно располагающихся пересечений и избежать нежелательных перекрытий.

Производительность работ

Если перекачивание пульпы будет происходить со скоростью 2320 фунт/сек. при 5%-ном содержании в ней конкреций, то суточная производительность драги составит 4180 т за 20-часовой рабочий день, или 1,22 млн. т в течение года при 292 рабочих днях в году. Изображенная на рис. 72 гидравлическая драга вращается со скоростью 1 оборот в минуту. Она снабжена двумя землесосными головками, разнесенными на 100 футов над дном моря. Сечения приемного отверстия каждой землесосной головки — 8 футов. При условии, что гидравлическая драга такой конструкции будет разрабатывать залежь с концентрацией конкреций около 2 фунт/кв. фут поверхности морского дна и что коэффициент извлечения достигнет 70%, суточная производительность этой драги составит, без каких-либо осложнений, 4180 т.

Капитальные и эксплуатационные расходы

Расчет стоимости добычи конкреций со дна океана методом гидравлического драгирования производился таким образом, что может быть применен к разработке на любой глубине. Перечисленные в табл. 40 и 41 эксплуатационные расходы включают стоимость амортизации, капитального ремонта, текущего основного ремонта, малярных работ, проценты на капитал, налоги, страховку и другие непредвиденные расходы, связанные с наличием собственности.

Таблица 40. Расходы на глубоководное гидравлическое драгирование, не зависящие от глубины

Статья расходов	Капитальные затраты, тыс. долл.	Эксплуатационные расходы, тыс. долл./год
Баржа для складирования, используемая емкость 15 тыс. т	800	280
Вспомогательное оборудование на барже	400	160
Всасывающие головки	200	200
Телевизионные камеры, кабели и контрольные устройства	50	25
Различное оборудование	600	200
Работы по конструированию	300	—
Накладные расходы	—	300
Постройка драги	500	—
Зарплата рабочих	—	365
Фрахтование добывающего судна водоизмещением 3000 т	—	1095
Модификация добывающего судна	1500	—
Итого	4350	2625

Электроэнергия для мотора землесосной системы подается с основных ходовых двигателей судна. Вполне очевидно, что во время разработки на передвижение судна будет расходоваться весьма незначительная мощность. Всей мощности на ведение работ требуется 10000 л. с. В тех случаях, когда ходовые двигатели судна не могут обеспечить столь большой мощности, следует поставить вспомогательный мотор-генератор. Так, для перекачивания пульпы необходимая мощность составляет 0,778 л. с. на 1 фут глубины, считая, что общая эффективность системы 75%. Тогда стоимость всей необходимой энергии получается равной (0,02 долл./л. с. -час)(5840 час/год)(0,778 л. с/фут) = 91 долл./фут/год.

Стоимость электроэнергии для мотора землесосной системы

Таким образом, суммарные расходы по разработке 1 т конкреций методом гидравлического драгирования в условиях глубокого моря при производительности 1,22 млн. т/год выразятся следующей цифрой:

Суммарные расходы по разработке 1 т конкреций методом гидравлического драгирования в условиях глубокого моря при производительности 1,22 млн. т/год

где d — глубина разработки в футах. Следовательно, на глубине 10000 футов стоимость добычи 1 т конкреций составит 2,15 + 0,00014 (10000) = 3,55 долл.

Таблица 41. Расходы на глубоководное гидравлическое драгирование в зависимости от глубины

Статья расходов	Капитальные затраты, долл. на 1 фут глубины	Эксплуатационные расходы за год, долл. на 1 фут глубины
Линия трубопровода	40,00	20,00
Плавающее оборудование, включая поплавки, буи и т. п.	20,00	10,00
Помпа	5,00	5,00
Двигатель (80 долл./л. с.) (0,778 л. с./фут)	62,40	23,70
Силовой кабель (20 долл./фут) (10% глубины)	2,00	1,00
Контрольно-измерительная аппаратура	10,00	10,00
Разное	20,00	10,00
Итого	159,40	78,70

Из изложенного следует, что при ведении гидравлического драгирования в обстановке глубокого моря темпы производительности работ являются функцией протяженности трубопровода, скорости движения жидкости по трубопроводу и величины отношения жидкость/твердое вещество. И напротив, темпы производительности не зависят от глубины разработки. Это позволяет на основе уже полученных ранее величин стоимости добычи (табл. 40 и 41) рассчитать методом экстраполяции стоимость работ при различной глубине драгирования. В табл. 42 приведены данные об эксплуатационных расходах, капитальных затратах и других показателях при ведении разработки на различных глубинах. Следует подчеркнуть, что эти данные применимы к системе гидравлического драгирования с описанными выше конструктивными параметрами.

Таблица 42. Стоимость добычи конкреций методом гидравлического драгирования с различных глубин

Глубина, футы	Потребная мощность, л. с.	Капитальные затраты на оборудование * , долл.	Эксплуатационные расходы на оборудование в зависимости от глубины, долл./год	Расходы на энергию, считая 0,02 долл./л. с.*час, долл./год	Твердые эксплуатационные расходы, долл./год	Эксплуатационные расходы, долл./год	Стоимость продукции ** , долл. за 1 т конкреций
1000	778	4509400	79700	91000	2625000	2795700	2,29
2000	1560	4668800	159400	182000	2625000	2966400	2,43
3000	2330	4828200	239000	273000	2625000	3137100	2,57
4000	3110	4987600	318800	364000	2625000	3307800	2,71
5000	3890	5147000	398500	455000	2625000	3478500	2,85
6000	4670	5306400	478200	546000	2625000	3649200	2,99
7000	5450	5465800	557900	637000	2625000	3819900	3,12
8000	6220	5625200	637600	728000	2625000	3990600	3,27
9000	7000	5784600	717300	819000	2625000	4161300	3,41
10000	7780	5944000	797000	910000	2625000	4332000	3,55
12000	9340	6262800	956400	1092000	2625000	4673400	3,83
14000	10890	6581600	1115800	1274000	2625000	5014800	4,11
15000	11670	6741000	1195500	1365000	2625000	5185500	4,25
16000	12450	6900400	1275200	1456000	2625000	5356200	4,40
18000	14000	7219200	1434600	1638000	2625000	5697600	4,66
20000	15560	7538000	1594000	1820000	2625000	6039000	4,95

* ( При этом предполагается фрахтование добывающего судна.)

** ( При годовой добыче в 1,22 млн. от конкреций.)

Влияние погоды на условия разработки

Успешность разработки океанских конкреций во многом зависит от характера погоды. После проведения весьма тщательной разведки участка океана, намеченного к разработке, крайне желательно получить подробные сведения о распределении глубин на участке, о его удаленности от рынков сбыта, качестве и концентрации конкреций и условии их залегания. Если все перечисленные выше условия окажутся удовлетворительными, то следующим по значимости контролирующим фактором является погода, влияние которой может иногда свести на нет все остальные положительные характеристики выбранного участка. Крайне мала вероятность ведения морских горнорудных работ в районе, который характеризуется такой же погодой, как, например, в Северной Атлантике. Следует также учитывать наличие поперечных океанских течений. Однако, к счастью, самые ценные залежи как по качеству, так и по весовому содержанию находятся вблизи экватора в восточной части Тихого океана и в центральных районах южной половины Тихого океана, известных как области спокойного моря.

Одной из задач при разведке залежи является изучение климата этого участка. Размещаемое на поверхности океана оборудование должно быть спроектировано с учетом его максимальной устойчивости против наиболее сильных штормов, какие только могут ожидаться в районе разработки. Что касается непосредственно самой гидравлической драги, то она должна противостоять любому шторму. Это вполне осуществимо, поскольку основные землесосные узлы драги закреплены преимущественно ниже поверхности турбулентного слоя океана.

Переработка марганцевых конкреций

В настоящее время известно несколько способов доведения океанских марганцевых конкреций до товарных кондиций (Mero, 1959). Для этих целей с точки зрения технологии производства может быть использовано подавляющее большинство уже существующих методов извлечения марганца из низкокачественных руд. Кроме того, для отделения и извлечения из конкреций меди, никеля и кобальта пригодны и некоторые другие методы, в частности процесс Шерритта — Гордона. Успешно проводимые экспериментальные исследования конкреционных образований позволяют считать, что в их составе различные металлы ассоциируют с отдельными минеральными фазами, представленными соединениями железа и марганца. Так, медь и никель находятся в составе марганцевой кристаллической фазы, а кобальт присутствует, замещая основные ионы, в фазе, представленной главным образом соединениями железа. Особые приемы контроля над условиями выщелачивания позволяют производить селективное отделение марганца от железа. Этим способом удается также сравнительно просто и недорого отделить при переработке конкреций основные массы никеля от кобальта (Mero, 1963). Процесс сепарации никеля от кобальта, когда эти элементы совместно находятся в растворе, обычно связан со значительными трудностями и крупными финансовыми затратами, Это объясняется тем, что никель и кобальт, их ионы и соединения характеризуются довольно близкими химическими и физическими свойствами.

При переработке марганцевых конкреций в товарную продукцию при помощи известных и применяемых в настоящее время процессов стоимость получения марганца в форме MnO₂ и металлических кобальта, никеля и меди оценивается в 25 долл. за 1 т сырых конкреций (Mero, 1959). Если даже предположить, что общая стоимость этих элементов, получаемых из 1 т конкреций, будет колебаться в пределах 40-100 долл., то и тогда подобная сумма не явится слишком большой. Однако все же имеет смысл в целях снижения технологических расходов создать особые процессы переработки, в которые были бы внесены значительные усовершенствования, позволяющие более целесообразно использовать химические и физические особенности конкреций по сравнению с существующими методами.

Источник

Разработка полезных ископаемых океанов

Глава 7. Методы разработки полезных ископаемых в океане